膜支撑件和膜过滤装置

本发明涉及可用于用在例如膜过滤装置中的膜支撑件，以及使用该膜支撑件的膜 过滤装置。

膜过滤装置是已知的并且经常用作样品制备装置，优选用于无菌和生物负荷测 试，例如适用于与制造过程的控制有关的测试目的或用于制药、生物制药、生物技术、医院、 食品和饮料行业中的最终产品测试，但还用于诊断、保健以及颗粒和生物元素的研究。

无菌或生物负荷测试过程需要一种涉及特定消耗品、硬件和样品制备步骤的样品 制备方法，并且该方法在整个行业中已知为标准化方法。在基于生长的无菌测试中，样品制 备涉及通过液体营养介质的直接接触来促进任何待检测的微生物的生长，该液体营养介质 引入到保持微生物的校准膜过滤器上方或下方，并通过在预定温度下培养带有过滤器膜和 营养介质的容器。营养介质的浊度变化表明了微生物的存在。或者，可以在膜过滤器上肉眼 检测微生物。

用于这种无菌和生物负荷测试的样品制备的仪器和样品制备步骤包括以下典型 步骤：

1. 预湿

预湿用于用正确的漂洗缓冲液使膜过滤器的孔隙率饱和，以便避免或降低分子结合到 膜过滤器的风险，主要是在抗生素无菌测试的情况下。例如，在欧洲药典5.0,2.6.1无菌 (European pharmacopoeia 5.0, 2.6.1 Sterility)中描述了这种过程。

对于无菌测试，将带有缓冲溶液的容器，即瓶子，连接到样品制备装置(膜过滤装 置)，如US 4036698 A中所描述的样品制备装置，通常具有位于缓冲溶液容器与样品制备装 置之间的流体连接部中蠕动泵，并且缓冲溶液泵送经过样品制备装置。

对于生物负荷测试，将缓冲溶液倒入打开的过滤装置中。

对于每个测试任务，须在两个或更多个样品制备装置中的每一个上重复该步骤。

2. 样品过滤

该步骤用于将微生物浓缩在样品制备装置中的膜过滤器的表面上。

对于无菌测试，具有样品流体的容器，即瓶子或注射器，通常经由蠕动泵与样品制 备装置连接。该步骤需要在通过相应的样品制备装置对样品转移和过滤进行完美的等分的 情况下，在两个或更多个样品制备装置中的每一个上同时进行。

对于生物负荷测试，将样品流体倒入打开的过滤装置中。

3. 冲洗

该步骤用于冲洗所有管道、样品制备装置或容器的内壁，以确定将所有微生物收集在 膜过滤器的表面处。在该步骤中冲洗膜过滤器的多孔部分以便去除任何可能延迟或阻碍潜 在污染物(微生物)生长发育的抑制剂。

对于无菌测试，该步骤也需要通常经由蠕动泵将带有冲洗流体的容器即瓶子连接 至样品制备装置，并且需要实现通过装置体积的期望的流体流动。该步骤也必须在两个或 多个样品制备装置中的每一个上进行。

对于生物负荷测试，将冲洗流体倒入打开的过滤装置中。

4. 生长介质添加

对于无菌测试，该步骤用于将正确体积的营养物(需氧或厌氧)带入膜过滤器上方的样 品制备装置中的每一个中。营养介质容器连接至样品制备装置，并且测量正确的体积，并在 步骤结束时关闭样品制备装置。通常用带有需氧介质的样品制备装置中的一个进行该步 骤，然后在带有厌氧介质的另一个样品制备装置上进行该步骤。

对于生物负荷测试，可以在固体琼脂介质盒上转移膜，或者可以将液体介质插入 膜下方。

5. 培养

在该步骤中，将单个、两个或更多个样品制备装置或容器在特定培养条件下培养以获 得最佳生长发育。对于带有需氧和厌氧介质的样品制备装置或容器分开进行培养。

6. 读取

对于无菌测试，通过规律的读取，通过肉眼或通过自动光学检查技术检测流体中过滤 器膜或细丝上的菌落的浊度变化或局部发育，以在预定培养项期间检查和检测微生物生 长。

对于生物负荷测试，通过规律的读取，通过肉眼或通过自动光学检查技术来检测 过滤器膜上的菌落的局部发育。

7. 鉴定

对于无菌测试，在样品的阳性检测情况下，使用注射器等从样品制备装置或容器中提 取液体，随后进行进一步的分析。

对于生物负荷测试，可以使用接种环(oese)等从样品制备装置或容器中提取菌 落，并且随后进行进一步的分析。

上述步骤对于无菌测试和对于生物负荷测试来说是典型的，并且已经为此过程开 发了多个样品制备装置。

例如，文件WO 2013/070730 A2公开了用于无菌测试的样品制备或细胞培养装置 (即本申请的含义内的膜过滤装置)。该装置具有壳体，其包含盖子，盖子具有光学透明窗 口、流体分配通道、流体地连接至流体分配通道的样品注射端口、基底(该基底包括烧结聚 乙烯的多孔介质垫连同平坦的支撑表面，在其上放置了过滤器膜)和位于基底的底部上流 体地连接至介质垫的介质注射端口。多孔介质垫在这种情况下用作排放结构，以收集已经 过支撑在其支撑表面上的过滤器膜的流体。盖子与基底配合以形成用于第一腔室的无菌密 封件，并且分配通道设置在介质垫上方。通过盖子中的样品注射端口引入到流体分配通道 中的样品流体均匀地分配至介质垫。

这些装置和过程中使用的一些膜过滤器材料对湿度非常敏感，并且取决于湿度测 定可具有显著隆起的膨胀。膜的膨胀可以在储存、制造期间或在过滤过程期间出现。

如果膜是普通的平坦的盘，膜盘会增大其直径。例如，对于直径为40mm的标准盘， 取决于过滤器材料，直径的增加可以超过0.15mm。影响的参数是厚度、孔隙率、工序条件和 膜材料的配方。对于一些应用来说，膜盘集成在装置中，并且膜盘的外围需要被牢固地保持 或界定。在这种情况下，当放置在比如琼脂介质表面的平坦的支撑表面上时，膜表面的增加 可能在水合后产生褶皱或隆起，因为外外围不能移动和补偿过量的膜表面。在参考为示例 的直径为40mm的膜盘(其具有1256.6mm2的原始表面积)上，表面积扩张11mm2可以导致鼓起 或褶皱连同从支撑表面的1.7mm的偏转。在这种情况下产生的褶皱的示例在图1中示出。

然而，膜上的任何褶皱可由于包含在膜和琼脂介质之间的介质通路、毛细管作用、 气泡而对细菌生长和菌落形态产生影响。褶皱也对视觉或光学阅读重现性具有负面影响。

应对该问题的一个现有解决方案是使用刚性烧结材料或栅格材料来用于膜支撑， 并将平坦膜放置在其具有略微隆起的外围台阶的平坦的膜支撑表面上。水合之后，补偿过 量的膜材料，因为膜可以滑过外围台阶。然而，台阶的边缘可以在膜上留下可见标记，并且 膜与琼脂之间的接触可局部丧失。而且，烧结材料可能更难冲洗，特别是在过滤含有抑制剂 的基质的情况下，并且可能影响细菌生长。在处理非常发泡的样品的情况下，烧结材料可能 增加废液瓶中的泡沫形成，连同对可过滤的最大体积和瓶中液位检测传感器的读数结果的 准确性的负面影响。在一次性的多孔烧结材料的情况下，伽玛杀菌可产生自由基，其可影响 膜上微生物的生长。

另一个现有解决方案是使用具有在支撑件的中心部处具有低点的凹形支撑表面 的膜支撑件。在这种情况下，干膜没有完全支撑在中心部中和在中间外围处，这在制造和组 装、运输期间和过滤过程的早期阶段造成膜破裂的风险。虽然只要使膜保持靠近凹形支撑 件的支撑表面即可补偿水合后的膜膨胀，并且可以避免褶皱的形成，但是如果将过滤后的 凹形过滤器转移到平坦表面上，则可能存在问题，因为气泡可能困在可以导致局部膜干燥 的膜下。

再一个现有的解决方案包括在膜与膜支撑件的排放结构之间放置弹性支撑垫。尽 管在过滤期间弹性垫在压力差的情况下的变形可避免液体过滤期间在膜中产生褶皱，膜膨 胀仍均匀地分布在膜的整个表面上，并且可以形成圆顶形状。此外，如在使用烧结材料的情 况下，垫材料可能更难冲洗，特别是在过滤含抑制剂的基质的情况下，并且可能影响细菌生 长，或者在处理非常发泡的样品的情况下，垫材料可能增加废液瓶中的泡沫形成，连同对可 过滤的最大体积和瓶中液位检测传感器的读数结果的准确性的负面影响。在一次性的多孔 垫材料的情况下，伽玛消毒可产生自由基，其可以影响膜上微生物的生长。最后，膜下的垫 的存在可以增流动阻力并增加过滤时间。

本发明的一个目的是提供一种可用于例如膜过滤装置中的膜支撑件，其避免了由 于水合后的膜膨胀造成的膜的褶皱形成以及本领域中的其它缺点中的至少一些。本发明还 旨在提供一种使用该膜支撑件的膜过滤装置。

为了解决该问题，本发明提供如权利要求1中所限定的膜支撑件和如权利要求15 中所限定的膜过滤装置。膜支撑件和膜过滤装置的优选实施方案在从属权利要求中限定。

本发明的膜支撑件包括提供在膜支撑件的上游侧上并适于在其上支撑平坦的过 滤膜的支撑表面，和布置在支撑表面下方的排放结构，以收集已经过支撑在支撑表面上的 过滤膜的流体并引导流体离开至下游侧，其中，支撑表面具有多个凹部，其分布在支撑表面 上并形成为吸收过滤膜的膨胀。

在膜的支撑表面中形成并分布在其上的多个小凹部允许将膜以干燥状态(即在制 造和运输期间)均匀地且基本遍及其整个表面支撑，并且这允许水合后的膜的膨胀均匀地 分布在膜的表面上，即使牢固地保持或界定膜的外围，因为材料可能膨胀到膜的整个表面 积上的多个浅凹部中。因此，在过滤过程中的膜支撑件的使用期间，膜与琼脂之间的接触最 大化并且避免气泡困在膜下。此外，改善了介质通过毛细作用扩散穿过膜孔。

这在当膜支撑件在过滤期间用在膜过滤装置中时产生显著优点，因为尽管膜保持 在其外围边缘处，膜膨胀也是可能的，这确保了过滤过程期间的期望的膜压差，这允许了过 滤过程期间的足够的排放，并且这避免了在膜中形成褶皱或鼓起。

作为另一个优点，即使在处理非常发泡的样品的情况下，避免或至少减少了泡沫 形成，并且例如与使用需要若干冲洗步骤的弹性垫相比，改善了专门用于抗生素测试的冲 洗性能。

在过滤之后的培养期间，当膜转移到琼脂营养介质上时避免了褶皱的形成，并且 由于膜与琼脂之间紧密的无气泡接触而提供了良好的生长条件和营养物到膜的任何点的 均匀进入。

优选地，凹部因此具有如此选择的宽度和从支撑表面处的峰部到底部的深度，使 得在过滤期间支撑在支撑表面上的膜变形的情况下维持了膜与支撑表面之间的接触。

优选地，凹部的深度与宽度的比为5至40，优选为20至40或10至20或5至10。

优选地，凹部具有从支撑表面并且优选从底部的弯曲的过渡部。

优选地，凹部在支撑表面的径向和/或周缘方向上有规律地/周期性地或不规律地 形成。

优选地，凹部的横截面为正弦曲线。

优选地，凹部是连续的和/或不连续的。

优选地，凹部包括环形凹槽，优选为同心凹槽和/或凹陷。

优选地，排放结构包括与膜支撑件的下游侧上的排放端口连接的通道网络。

优选地，形成网络的通道以便关于朝向排放端口的流动方向避免盲管段。

优选地，当膜支撑件以支撑表面为水平的姿势保持时，网络的通道从排放端口和 径向地延伸或沿排放端口的周缘延伸，和/或通道的底部在高度方向上从排放端口连续隆 起，其中，排放端口优选地相对于支撑表面居中。

优选地，膜支撑件具有外围膜边缘保持特征，其可以例如是隆起超过支撑表面的 夹具或台阶状结构。

在体现了与混合纤维素过滤膜一起使用的膜支撑件的优选示例中，凹部的宽度为 约1mm，凹部距支撑表面的深度在0.05mm至0.4mm的范围中，优选为0.2mm，并且更优选为 0.1mm。

本发明的膜过滤装置包括：根据本发明的膜支撑件，其中，优选将过滤膜放置在膜 支撑表面上；位于膜支撑件的支撑表面的上游的液体储存器；和与支撑表面的下游侧连通 的排出端口。

根据本发明的膜过滤装置和膜支撑件在图2中以非常示意性且不按比例的图像示 出。本发明的膜支撑件1包括支撑表面2，其适于支撑平坦的过滤膜7，并且关于待经过待支 撑在支撑件上的膜过滤的流体的设想流动方向提供在膜支撑件1的上游侧上。排放结构4布 置在支撑表面2下方以收集已经过支撑在支撑表面2上的过滤膜7的流体，并引导流体离开 至下游侧。

膜支撑件1旨在布置在膜过滤装置10中，其可包括以制造状态放置在膜支撑表面 上的过滤膜7，或者可适于在使用点处容纳膜。膜过滤装置10还具有位于膜支撑件1的支撑 表面2的上游的呈闭合或可闭合的腔室形式的液体储存器8和与支撑表面的下游侧连通的 排出端口5。排出端口5可以是过滤装置10或膜支撑件1的一部分。可以如本领域已知但未示 出的那样提供液体储存器的一个或多个入口和用于保持例如样品制备过程所需的物质的 附加腔室。而且，腔室8的顶侧是密封地闭合的或可以由透明的盖子或盖闭合，以允许检查 放置在支撑件上的膜以监测样品和过程。

图2的下部以横截面示出了膜支撑件1的膜支撑表面2的放大的图像。如可见的，支 撑表面提供有多个小凹部6，虽然未示出，但其基本分布在整个支撑表面上。缩进的或成型 成从由所产生的凹部图案的峰部或顶点限定的顶部参考平面后退的这些凹部，成型成且尺 寸化成用于吸收放置在参考平面中的过滤膜的膨胀。

应该理解的是，支撑表面的峰部或顶点允许将膜在干燥状态(即在制造和运输期 间)均匀地并且基本遍及其整个表面支撑，并且这允许水合后的膜的膨胀均匀地分布在膜 的表面上，即使牢固地保持或界定膜的外围，因为材料可能膨胀到膜的整个表面积上的多 个浅凹部中。凹部的深度和其宽度显然比通常形成用于已经过膜的流体的排放结构的通道 4的深度小得多。实际上，可认为凹部赋予或覆盖在传统连续支撑表面上，在其中形成较大 排放通道。

因此，凹部6具有如此选择的宽度从支撑表面处的峰部到底部的深度，使得在过滤 期间支撑在支撑表面上的膜变形的情况下维持膜与支撑表面之间的接触。取决于膜材料 (即其膨胀趋势和弹性或刚性)及其厚度，凹部的深度和宽度之间的关系优选为5至40，优选 为20至40或10至20或5至10。设想这些子范围内的任何比，并且其和与支撑件一同使用的膜 的直径或尺寸以及横截面中的凹部的实际轮廓无关。

在体现了与混合纤维素过滤膜一起使用的膜支撑件的优选示例中，凹部的宽度为 约1mm，并且凹部距支撑表面的顶部平面(过滤器膜在这里将处于干燥状态)的深度在 0.05mm至0.4mm的范围内，优选为0.2mm，更优选为0.1mm。

图3示出了根据本发明的实施方案的膜支撑件的横截面视图，并且图4示出了图3 的膜支撑件的中心部的放大视图。排放结构的通道4形成了通道网络，其布置成引导和指引 已经过了膜表面的流体朝向膜支撑件2的下游侧上的排放端口5。在这种情况下，形成了通 道网络的通道4从排放端口5径向地延伸，以便维持流体朝向端口5的恒定流动并且避免关 于朝向排放端口的流动方向的盲管段，当膜支撑件以支撑表面为水平的姿势保持时，通道4 的底部在高度方向上从排放端口5连续隆起至外面的外围。排放端口优选地关于支撑表面 居中，但这不是强制性的。

由于排放通道4径向地形成，支撑表面由隆起的地区或脊形成，并且小凹部6在地 区的顶部表面中成型成也在径向方向上在正弦曲线轮廓中延伸，其中，峰部和底部在周缘 方向上对齐成还形成同心波形图案。为了避免膜的过度应力并限制膜形变到排放通道中， 应当使排放通道4的宽度最小化，以使得同时在过滤期间增大支撑膜的表面积。以这种方 式，膜支撑件不需要任何额外的支撑结构，例如支撑表面中的网、网眼、烧结材料、织物或非 织物材料。

在备选的设计中，但也与如所示的径向排放通道相结合地，排放通道或另外的排 放通道可以周缘地成型成用于连接径向通道或者螺旋地通向排放端口。

边缘3可选地成型成以便关于膜支撑表面2的外部的外围延伸，并且成型成隆起超 过表面，以便限定用作膜盘的移动和/或膨胀的边界的台阶状的结构。因此该凸起边缘是外 围膜边缘保持特征的形式，其可以备选地例如是用于膜的夹具或另一机械约束件或保持 件。

图中所示的优选实施方案中的凹部具有从支撑表面的顶部支撑水平处的峰部到 斜部并从斜部到底部的弯曲且连续平滑过渡部。因此具有正弦曲线横截面的轮廓是优选 的。

凹部可以机械加工成膜支撑件的基底表面，或者当支撑件例如由塑料材料形成时 可以整体模制而成。

如图5中所示，在沿延伸方向的横截面中，如果多个凹部连贯且连续地布置成正弦 曲线波形轮廓，则对于示例性的带有直径为40mm和标称的平坦的表面为1256.6mm2的膜盘 而言，波的周期的数量、波的振幅A(凹部从峰部到底部的深度)、波的周期T(凹部的宽度或 峰部到峰部间距)、膜盘在水合和膨胀后的表面积以及吸收的表面膨胀总结如下：

基于上表将理解的是，周期的数量、振幅和周期的不同组合可近似地补偿和吸收相同 的表面膨胀。

支撑表面轮廓和凹部的形状不限于横截面中的正弦曲线轮廓。可在支撑表面的径 向和/或周缘方向上延伸以便覆盖基本整个有效支撑面积的其它有规律地/周期性地或无 规律地形成的轮廓是可能的。图6示出了在根据本发明的膜支撑表面的延伸方向(径向或周 缘方向)上的一些示例性备选的横截面轮廓。不规律性可以是在周期(宽度)、振幅(深度)、 周期或凹部的数量和/或个别凹部的形状方面。

在另外的备选方案中，凹部可以是来自支撑表面的在支撑表面周围以各种图案分 布的个别的凹陷或凹处或环形凹槽优选同心凹槽或其组合呈各种图案。